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Elektrische Wechselpolmaschine Es sind elektrische Synchronmaschinen
mit Wechselpolen mit mindestens einem ruhenden Magnetsystem bekannt, bei welchem
das ruhende Magnetsystem den Magnetfluß auf Wechselpole des Rotors überträgt. Die
Polflächen des ruhenden Magnetsystems können Innenflächen von Hohlzylindern, Ringscheiben
oder eine Zvlindermantelfläche bilden. In manchen von diesen bekannten Maschinen
werden getrennte Ringe zur Übernahme des Flusses von ruhenden Magneten und zur Zuführung
desselben in den induzierten Teil der Maschine verwendet. Diese bekannten Maschinen
benötigen einen großen Aufwand, wenn sie gute Anlaufeigenschaften, hohen Wirkungsgrad
und Leistungsfaktor aufweisen sollen.
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In der erfindungsgemäßen Maschine ist der Fluß einer minimalen Verzweigung
unterworfen, und fast der totale Fluß ist nützlich. Dadurch, daß die das Magnetfeld
weiterleitenden, voneinander getrennten Ringe im wesentlichen in Form eines massiven
Doppelzylinders angeordnet sind, werden auf eine sehr einfache Weise durch Induktion'
der Ströme im massiven Eisen gute Anlaufeigenschaften erzielt. Somit können bei
kleinem Aufwand, was für die ökonomische Herstellung von Kleinmaschinen von großer
Bedeutung ist, die Nachteile der bisher bekannten Maschinen dieser Art vermieden
werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Synchronmaschine mit
Wechselpolen, mit einem ruhenden Magnetsystem und mindestens zwei rotierenden, magnetisch
voneinander getrennten Ringen, die am Umfang ausgeprägte Nord- bzw. Südpole aufweisen
und auf über den ganzen Umfang reichende induzierte Teile einwirken. Die wichtigsten
Merkmale der neuen Synchronmaschine sind: Das ruhende Magnetsystem besitzt einen
U-förmigen Querschnitt, und die das Magnetfeld weiterleitenden, voneinander getrennten
Ringe haben im wesentlichen die Form eines massiven Doppelzylinders.
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Die Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dar, und zwar die Fig. 1 und 1 a eine Ausführung als Synchronmaschine und die Fig.
2, 2 a bis 2 c eine Ausführung als Doppelmaschine in Form eines Periodenumformers.
Im besonderen zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel
nach der Linie D-D in Fig. l a, Fig. 1 a einen Querschnitt längs der Linie A-A,
Fig.2 einen Längsschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel, Fig. 2 a die Anordnung
der magnetischen Flußleiter des Rotors mit den Polflächen in Abwicklung und Draufsicht
auf diese Polflächen, Fig. 2b einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2 und Fig.
2c einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 2. Beim Ausführungsbeispiel gemäß den
Fig. 1 und 1 a befindet sich im unmagnetischen Gehäuse 1 ruhend angeordnet ein durch
einen ferromagnetischen Körper 2 gebildetes ringförmiges Magnetsystem mit U-förmigem
Querschnitt mit der Felderregerspule 3. Die Innenflächen dieses ferromagnetischen
Körpers sind zylindrisch ausgebohrt und bilden mit verbreiterten Polflächen die
Nord- und Südpole. Innerhalb dieser in radialer Richtung endlosen Polflächen
N und S
befinden sich mit kleinem Luftspalt die magnetischen Ringe
4 und 6, die magnetisch getrennt auf der Welle 11 befestigt sind. Der Ring 4 bildet
mit einer röhrenförmigen Verlängerung und dem S-Polzacken 5 ein gemeinsames Ganzes.
Der Ring 6 bildet ebenfalls mit einer röhrenförmigen Verlängerung, jedoch größeren
Durchmessers, und dem N-Polzacken 7 ein gemeinsames Ganzes. Die Polzacken 5 und
7 sind als Innenpolschuhe (Fig. 1 a) ausgebildet und induzieren als Induktorsystem
das ringförmige Anker- bzw. Statoreisen B. Im Statoreisen 8 ist in beispielsweise
runden Nuten die normale induzierte Wicklung 9 untergebracht, deren Stirnverbindungen
die Wickelköpfe 10 bilden.
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Der magnetische Fluß, im Magnetsystem 2 durch die ringförmige Erregerspule
3 erregt, tritt über die Luftspalte zwischen den Nord- und Südpolen zu den Ringen
4 und 6 über, fließt in Richtung der Pfeile nach den Polzacken 5 und 7. Bei Rotation
des Rotors
entsteht im Statoreisen 8 ein Drehfluß der sich über
den Eisenrücken in Pfeilrichtung (Fig. 1 a) schließt und die Wicklung 9 mit der
Kreisfrequenz o induziert. Die Spannungsregelung erfolgt mittels Regelung des Stromes
in der Erregerspule 3 mit gleichen Mitteln wie bei bekannten Generatoren.
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Die Hohlräume zwischen den als magnetische Flußleitern dienenden Ringen
4 und 6 sowie Polzacken 5 und 7 können mit einem unmagnetischen Metall, beispielsweise
Aluminium, ausgefüllt bzw. ausgegossen werden, so daß der Rotor einen kompakten
walzenförmigen Körper bildet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 1 a betrifft eine zweipolige
Ausführung, doch ist es selbstverständlich, daß die betreffende Maschine mit beliebig
höherer Polzahl ausgeführt werden kann.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.2, 2a bis 2c ist die
erfindungsgemäße Wechselpolmaschine als Doppelmaschine in Form eines Periodenumformers
ausgeführt. Im unmagnetischen Gehäuse 1 befindet sich ruhend angeordnet das ringförmige,
durch einen ferromagnetischen Körper 2 gebildete Magnetsystem mit U-förmigem Querschnitt.
In diesem nutförmigen Hohlraum ist die Erregerspule 3 untergebracht bzw. mit dem
Magnetkörper 2 fest verbunden. Die Polflächen weisen durch Verbreitung der Pole
N und S ähnliche Polschuhe vergrößerten Querschnitts auf, wodurch die Induktion
in den Luftspalten verringert wird bei Übertritt des Flusses vom Magnetkörper 2
auf die magnetischen Ringe 4' und 6 des Rotors. Der Ring 4' trägt auf der linken
Seite den Polzacken 5', welcher in den Stator 8' führt und den S-Pol des Rotors
bildet. Der den N-Pol bildende Polzacken 7' hingegen ist mit der ferromagnetischen
Welle 11 fest verbunden. In Fig. 2b ist dieser zweipolige Synchronrotor im Schnitt
dargestellt. Sowohl der Stator 8' als auch die Anordnung und Ausbildung der Pole
sind analog der Ausführung Fig. 1 und 1 a. Der Stator 8' (Fig. 2) enthält beispielsweise
eine Drehstromwicklung 9' mit den Wickelköpfen 10', nur mit dem betriebsmäßigen
Unterschied, daß der Stator 8 (Fig. 1 und 1 a) beispielsweise als Generator dient,
während der Stator 8' den motorischen Teil dieses Umformers in zweipoliger Ausführung
bildet.
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Der rechte Teil, Fig. 2 (im Schnitt Fig. 2c) bildet den generatorischen
Teil des Umformers und ist beispielsweise sechspolig ausgeführt. Von der ringförmigen
Polfläche N des Magnetkörpers 2 tritt der magnetische Fluß auf den magnetischen
Ring 6 des Rotors über. Dieser Ring 6 trägt als gemeinsames Ganzes die Polzacken
7, welche die N-Pole des generatorischen Induktors bilden. Von diesen die N-Pole
bildenden Zacken 7 tritt der Fluß auf den Stator 8 über, fließt über die Zähne und
den Eisenrücken zu den die S-Pole bildenden Zacken 5 des Rotors und über die Welle
11 in Richtung der zum Polzacken 7' (N-Pol) des motorischen Teiles des Umformers,
wo sich der magnetische Kreis schließt.
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Der Anlauf geschieht derart, daß die Statorwicklung 9' des motorischen
Teiles an ein Drehstromnetz gelegt wird. Das Drehfeld der Wicklung 9' induziert
Wirbelströme im massiven Eisen der Rotorpolzacken 5' und T, wodurch der Rotor das
Anlaufdrehmoment erfährt. Diese Polkörper 5' und 7' sind miteinander durch unmagnetisches
Metall samt dem Ring 4 zu einem gemeinsamen Ganzen fest verbunden und auf der Welle
11 drehbar angeordnet, dergestalt, daß dieser Rotorkörper etwa um eine Polteilung
sich leicht verdrehen kann, jedoch durch eine nicht dargestellte Anschlagvorrichtung
die Welle 11 mitnimmt. Durch diese Vorrichtung haben die motorischen und generatorischen
Rotorteile die Möglichkeit, in der Nähe des motorischen Synchronismus sich durch
gegenseitige radiale Verdrehung, ihrer Polarität entsprechend, leichter in den Synchronismus
hineinzuheben als bei starrer mechanischer Verbindung beider Systeme.
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Praktische Versuche haben sogar gezeigt, daß mit Hilfe dieser einfachen
Vorrichtung solche Umformer mit voller Erregung des Gleichstrom-Magnetsystems, und
zwar mit Belastung des Generators, der Motor in den Synchronismus springen. Der
Erfindungsgegenstand ist jedoch nicht an diese eine Ausführungsform dieser Synchronisierungseinrichtung
gebunden, sondern es kann auch einer der Statoren 8 und 8' drehbar angeordnet werden,
jedoch auch mit einem Anschlag zur Aufnahme des Gegendrehmomentes des Rotors. Letztere
Form ist dann besonders zweckmäßig, wenn die induzierten Ankerkörper walzenförmig
ausgebildet, innen angeordnet sind, die Induktorkörper hingegen außerhalb der Anker
laufen.
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Demgemäß beschränkt sich der gesamte Erfindungsgegenstand auch nicht
nur auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Werden beispielsweise
die Rollen von Induktor und Anker vertauscht, indem der bzw. die Anker innen angeordnet
werden, so ist auch das U-förmige Magnetsystem ruhend innen so anzuordnen, daß die
Nut zur Aufnahme der Felderregerspule 3 außen ist, zu deren beiden Seiten die endlosen
Polflächen der N- und S-Pole liegen. Die magnetischen Ringe 4 und 6 laufen dann
außerhalb der zylinderflächenförmigen Polflächen N und S sowie die Polkronen der
Induktoren in Form eines zylindrischen Körpers, der ein gemeinsames Ganzes bildet.
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Ebenfalls können die Polzahlen vom motorischen und generatorischen
Teil beliebig Anwendung finden sowie die Vertauschung der Rollen bei der Frequenzumformung
von unten nach oben oder von oben nach unten.
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Bei dem zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind die Flüsse der beiden Maschinensysteme mit dem Erregerfluß des Magnetsystems
in Reihe geschaltet. Die Anordnung kann jedoch auch so getroffen werden, daß der
vom Magnetsystem ausgehende Fluß auf zwei oder mehrere Maschinensysteme als Flußverzweigung
übergeleitet wird (Parallelschaltung).
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Die Anwendung von mehr als zwei Maschinensystemen, die von einem Magnetsystem
erregt werden, wird in beliebiger Zahl, Form und Flußführung als Gegenstand der
Erfindung beansprucht. Ebenfalls können diese Maschinensysteme mit beliebigen Polzahlen
Anwendung finden.
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Bei allen Arten der Ausführungsform und Flußführung (Serie und parallel)
können die Flüsse der einzelnen Maschinensysteme beliebig geregelt werden, indem
beispielsweise beim Umformer gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Leerlauf der
Fluß gleichmäßig auf beide Maschinensysteme sich verteilt. Mit zunehmender Last
des Generators hingegen wird der vom Magnetsystem erregte Fluß im Motorsystem allmählich
abgedrosselt und somit nach dem Generatorsystem abgedrängt. Dadurch wird der Spannungsabfall
im Generator mit zunehmender Last ausgeglichen bzw. die Klemmenspannung konstant
gehalten.
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Diese Flußabdrängung kann beispielsweise mit magnetischen Flußleitern
geschehen, die als magnetische Nebenschlüsse mehr oder weniger in Aktion gebracht
werden, indem man diese bewegt. Die Bewegung
dieser magnetischen
Nebenschlüsse oder Flußsperren kann durch Fliehkraft mechanisch von außen oder durch
magnetische Zugkraft geschehen.
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Der Erfindungsgegenstand beschränkt sich nicht nur auf Magnetsysteme
in zweipoliger Ausführung, wie in der Zeichnung dargestellt, sondern diese können
auch mit drei oder mehr Polen versehen Anwendung finden. So kann beispielsweise
der ringförmige Eisenkörper zwei Rillen oder Nuten zur Aufnahme von zwei Felderregerspulen
aufweisen, deren Stromverlauf entgegengerichtet ist. Ein solcher Magnetkörper besitzt
drei Polzacken mit endlosen kreisrunden zylinderförmigen Polflächen. Ist der mittlere
bzw. innere Polzacken N magnetisch, so sind die beiden äußeren, S, magnetisch; oder
ist der mittlere bzw. innere Polzacken S magnetisch, so sind die beiden äußeren,
N, magnetisch. Auch ist der mittlere bzw. innere Polzacken mit doppeltem Querschnitt
auszuführen, weil er den magnetischen Kern bildet, die äußeren Zacken hingegen die
magnetischen Rückschlüsse. Wird nun beispielsweise eine Doppelmaschine des Erfindungsgegenstandes
nach Fig. 2 mit einem solchen dreipoligen Magnetsystem ausgeführt, so sind auch
drei magnetische Ringe 4 und 6 im Induktor erforderlich, die den Fluß auf die Polschenkel
beider Maschinensysteme überleiten. Die Polzacken 5 und 7 des rechten Induktorteiles
sind an dem mittleren und einem äußeren Ring befestigt bzw. bilden ein gemeinsames
Ganzes mit diesen. Die Polzacken 5' und 7' des linken Induktorteiles hingegen sind
an den mittleren und dem anderen äußeren magnetischen Rotorring be-
systeme unabhängig voneinander erregt und geregelt werden, indem nur eine Feldspule
den Fluß des einen und die andere Feldspule den Fluß des anderen Maschinensystems
erregt.
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An Stelle dieses Magnetsystems mit drei Polzacken können auch zwei
nebeneinander angeordnet werden, die je nur zwei Polzacken besitzen. In diesem Fall
ist der Stromverlauf auch in beiden Spulen entgegengerichtet, so daß die beiden
mittleren Polzacken gleiche Polarität, die äußeren hingegen ungleiche Polarität
aufweisen.
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Die Magnetsysteme können auch mit kranzförmigen Polzacken ineinander
angeordnet ausgeführt werden, deren Polflächen scheibenförmige Gestalt aufweisen.